本煤层带压封孔技术装备研究及其应用.pdf

第 2 6 卷第 6期 2 0 1 7年 6月 中 国 矿 业 CHI NA M I N1 NG M AGAZI NE V0 L 2 6， NO ． 6 J u n ． 2 O l 7 本煤层 带压封孔技 术装备研 究及 其应 用 卢红奇 ，邓增社 ，徐文全 ，胡魏魏 ，邓广哲。 1 ． 陕西煤 业化 工技 术研 究 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ；2 ． 煤炭绿 色安全 高效 开采 国 家地 方 联 合 工程研 究 中心 ，陕 西 西安 7 1 0 0 6 5 ；3 ． 西安科技 大学 能源 学院 ，陕 西 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯 问题 的根本 手段 。在分 析煤层 钻孑 L 应 力分布 的基础上 ， 研究 了带 压封孔技术封堵钻孑 L 裂 隙的基本 原理 ， 并结合“ 两堵一 注” 工艺 ， 研制 了新 型带 压封孑 L 装置 ， 并对 装置进行 实验 ， 结果表明该设备能够满足注浆压力 0 ． 5 MP a 要 求 。通过理论 分析确 定 了大佛寺煤矿 4 0 1 1 8工作 面 最佳 注浆 压力 为 0 ． 4 MP a 和最佳封孔长度为 1 2 m， 经现场验证带压封孔技术抽采瓦斯浓度较 常规封孔工 艺提 高 5 O 以上 ， 有效地保障 了工作面 的安全开采 。 关键 词 带 压封孔 ；抽采 ；本煤层 ；囊袋 ；裂隙 中图分类号 T D 7 1 2 文献标识码 A 文章编 号l 0 0 4 4 0 5 I 2 0 1 7 0 6 0 l 1 2 一 O 4 Re s e a r c h a n d a p pl i c a t i o n o f p r e s s u r i z e d s e a l i n g b o r e h o l e e q u i pme n t i n mi n i n g s e a m I U Hon gq i ‘ 。 ～． DENG Ze ng s he ～， XU W e nq ua n “ ， HU W e i wei 。 ～． DENG Gua n gz h e 1 ． S h a a n x i Co a l Ch e mi c a l l n d u s t r y Te c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ． ， Lt d ．， Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， Ch i n a； 2 ． Na t i o n a l L o c a l Un i t e d E n g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Gr e e n S a f e t y Ef f i c i e n t Mi n i n g ，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5．Ch i n a ； 3 ． Co l l e ge of En e r g y Sc i e n c e a n d En gi n e e r i n g， Xi ’ a n Un i v e r s i t y o f Sc i e nc e an d Te c h nol o gy， Xi ’ a n 71 0 05 4， Ch i n a Ab s t r a c t Ga s d r a i n a g e i s a f u n d a me n t a l me t h o d o f s o l v i n g g a s d i s a s t e r s o f c o a l m i n e ． Ba s e d o n s t r e s s di s t r i bu t i on f e a t u r e s of bo r e h ol e，t he s e a l i ng me c ha ni s m of p r e s s u r i z e d s e a l i n g t e c hn ol o gy wa s a na l y z e d． C o m b i ne d wi t h t he‘ ‘ t wo s e a l i n g a nd o ne gr ou t i n g” t e c h no l o gy． t he ne w pr e s s u r i z e d s e a l i n g e qu i p me nt wa s de v e l op e d． Th e e xpe r i me nt a l r e s ul t s h owe d t h at t he e q ui pme nt c oul dme et t he d e ma nd o f 0． 5 M Pa gr ou t i ng p r e s s ur e ．W i t h t he t he or e t i c a l a n a l y s i s， t h e t e c h ni c a l p a r a me t e r s o f 4 01 1 8 mi ni ng f a c e i n Da f o s i c o al mi ne we r e obt ai n e d， t h e be s t gr out i n g p r e s s ur e wa s 0 ．4 M Pa， an d t h e r e a s o na bl e s e al i ng l e n gt h wa s 1 2 m．The f i e l d t e s t s h owe d t h at t he p r es s ur i z e d s e a l i ng t e c hn ol og y c ou l d i mpr o ve t he ga s dr a i na ge c o nt e n t by 5 0 ， a n d t he t e c h no l o gy c o ul d e ns ur e s a f e t y mi ni n g． Ke y wo r ds pr e s s ur i z e d s e a l i n g； g a s dr a i n a ge； mi ni n g s e a m ； c ap s ul a r b a g； c r a c k 随着 我 国煤 炭 资 源 的 开 发 ， 浅 部 资 源 面 l 临枯 竭 ， 目前多数矿区已进入深部开采。随着煤 炭开采 的逐渐 向深 部延 伸 ， 煤 层 出现 高 应 力 、 高 瓦斯 、 高松 软等特 点_ 】 j ， 同时 煤层 瓦斯 含量 也随 之增 大 ， 极 大地 影响煤 矿 安 全 高效 开 采 。抽 采 作 为 治 理 瓦 斯 的 根 本手段 】 ， 而封孔 质量 是影 响抽 采效 果 的关 键 因素 之一 、 对 工作 面治理 瓦斯 具有 重要 的影 响 。 目前 ， 对 于 煤 层 瓦斯 抽 采 钻 孔 而 言 ， 广 泛 采 用 “ 两 堵一 注 ” 封 孑 L 工艺 ， 且 多 采 用 聚 氨 酯作 为封 孑 L 材 收稿 日期 2 O 1 6 一 l I I 7 责任编辑 赵奎涛 基金项 目陕西省工业科技 攻关项 目资助 编 号 2 O 1 6 GY 一 1 7 6 第一作者简介 卢红 奇 1 9 8 8 一 ， 男 ， 河南周 口人 ， 工程 师， 博士 ， 现 从事煤岩动 力灾害研究工作， E ma i l c u mt b l h q 1 6 3 ． c o rn。 料 ， 但 由于 聚 氨酯 不 能 充 分 充 填 钻 孔 周 围 的裂 隙 、 对钻孑 L 无 支撑 作 用 ， 使 得 瓦 斯抽 采浓 度 较 低 】 。为 此 ， 许 多 专 家对 封 孔 方 法 进 行 研 究 ， 提 出不 同 的 封 孑 L 工 艺 ， 如周福 宝 等 ] 和李 文 树 等 提 出的 二 次 封 孔法 ， 郑春山等L 7 ] 和 Z h a n g e t a l 【 提出的双 阶段注 浆封 孔方 法 ， 张 明杰 等 提 出的 径 向强 力膨 胀 法 封 孔 技术 ， 取得 了较 好 的效 果 。尤 其 是 带 压封 孔 技 术 的实现 ” ] ， 能够 明显提高煤层瓦斯抽采 效果 ， 但 存在着操作复杂等因素。 本 文 通过 对 带 压 封 孔 和 “ 两堵 一 注 ” 原 理 进 行 分析 ， 研制新 型带压封孑 L 设备 ， 并对带压封孔关键 参数进行分析 ， 为改 善 目前封孔操作 复杂、 钻孔抽 采瓦斯浓度低的情况提供参考。 第 6期 卢红 奇，等 本煤层带 封孔技术装备研究及其应用 l带压封 孑 L 机理 煤层 抽采 钻孔 由于 受 到采 动 应 力 的影 响 ， 由煤 壁 向煤体 深部 会形 成 卸 上 K 、 应 力集 中 和原 始 应 力 。同时 ， 钻 孔 周 『 韦 l 煤 体 由于 应 力 变 化 ， 会 形 成 破裂 、 塑性 和 弹性 ， 如 l所示 。在 破 裂 区域 ， 【 f i 于 钻孔 对 应 力 的 释 放 会 形 成 大 量 的 裂 隙 ， 瓦斯 会从 裂 隙 中逸 散 从 影 响抽 放 效 果 ， 这 些 裂 隙 足造 成钻 孔漏 气 最 为 重要 的 凶素 。 因此 ， 封 堵 钻 孔 破 裂 裂 隙 是 提 高 钻 孔 瓦 斯 抽 采 效 果 的 有 效 途 径 。 带 封 孔 技 术 是 利 用 带 压 注 浆 的 方法 将 封 堵 浆 液注 入 钻孔 以 达 到 改 善 煤 体 力 学 性 质 和 封 堵 裂 隙 的 目的 。 陔技 术通 过 使 用 采 用 聚 氨酯 等 膨 胀 材 料 抽 采钻孔 I l 形 成一 段 封 闭 区域 ， 然 后 使用 注 浆 泵带 压将 水 泥浆 等 注 浆 材 料 注 入 抽 采 钻 孔 封 闭 区 域 ， 注浆 材 料 红 注 浆 力 的作 用 下 进 入 煤 体 裂 隙 。 凝 后 与煤 体 卞 H 结 合 ， 从而 钻 孔周 嘲破 裂 区裂 隙得 图 1 钻 子 L 周 围 煤 体 应 力 分 布 到 有效封 堵 ， 提高 钻 孔 瓦斯 抽 采 效 果 。其 封孔 前后 示 意 如图 2所示 。 2带压 封子 L 设备研 发 2 ． 1 带 压封 孔设备 研 发 根据 带 压封 孔 技 术原 卿 和 “ 两堵 一 注 ” 封 孔 工 艺 ， 设计 出新 型带 压封 孔 装 置 ， 其 结 构 如 图 3所 示 。 其 实施 过程 为 通 过 机 械扣 方 式将 过 水 不 过浆 的 囊 带扣 压在 抽采 管路 上 ， 然 后 注 入 速凝 膨 胀水 泥浆 液 等使 钻孔 密封段 形 成 有 效 密 闭空 间 ， 再 向密 闭空 问注入 带压 水 泥浆体 等进 行密封 。 I I 层裂隙 ㈨ 带压” L 钻 L 示意 J l 层裂隙 b 1 带J I 士 J ’ L J 钻f L 示意f冬 l 图 2 钻孔带压封孔前后示意图 图 3带 压 封 子 L 装 置 示 意 图 该带 压 封 孔 装 置 技 术 原 理 为 在 封 孔 之 前 ， 通 过 机 械扣 环 方 式 将 囊 带 扣 在 抽 采 管路 上 送 入 抽 采 钻孔 巾， 然 后 调节 控 制 阀 、 _卡 ] ‘ 开 注 浆 泵 ． 使带 压 的 水泥浆 体 茸先沿 3 注 浆管 进 入 2 囊 袋 中 ， 待 2 囊 袋注 满后调 节控 制 阀 ， 使 水泥浆 体沿 1 注浆 管 进入 1 囊 袋 ， 待 1 囊 袋 充 满后 ， 停 止 注浆 。 待 1 囊 袋 内 浆体内稍许凝固后， 再次向 1 囊袋注浆， 从而避 免 浆 体 Ⅲ现 “ 月 牙状 ” 。待 1 囊 袋 、 2 囊 袋 内浆 体 充 分 凝 I嗣后 再 次 调 节 控 制 阀 向囊 带 巾 问 的 密 封 空 间 带 压 沣浆 ， 至 充 满 窄 间 。本实 验 所 采 用 的囊 袋 长 度 为 1 H 1 。 爪 J 注浆 u 控 制阀 2 ． 2带』 } i 封孔 没备 实验 囊袋是 带 压 封 孔 装 备 的关 键 。本 次 所 用 囊 袋 材料 为阻燃 、 抗 静 电 的加 筋 机 织 布 ， 具 有 拉 伸 强 度 高、 耐磨损 、 耐腐蚀 、 挡矸等特点。机械扣压前后囊 袋如 图 4 所 示 。 为 1r 分析 机械 扣 压 效果 及囊 袋膨 胀 性 ， 在 实 验 事对 囊 袋 性 能 进 行 研 究 ， 本 次 实 验 沣 浆 泵 压 力 为 0 ． 5 MP a 。实 验结 果 如 图 5所 示 ， 其 中 “为 注 浆 压 力 0 ． 5 MP a 情 况下 囊 袋膨 胀 性 实 验 ， b为注 浆 压 力 0 ． 5 MP a 情况 下 机械 扣 压 环情 况 。在 实 验 过 程 中 ， 随着 注浆进 行 ， 囊 袋 随着 浆体 的 注 入 开 始 膨 胀 ， 径 向变 化增 大 。当注浆 压 力达 到 0 。 5 MP a时 ， 囊 袋成 中国 矿业 第2 6 卷 不 规则 性 Ⅱ 未 发 生 漏 浆 情 况 ， 扣 压 处 并 末 漏 浆 。 从图 j r 以看 ， 当沣 浆 压 力 0 ． MP a时 ， 囊 袋 未 发 牛破损 ． 机 械 扣 压 环 仍 完 好 ． 且 水 泥 浆 液 凝 固后 囊 袋并 无破 损 ． 说 明该装 备能 够 在 0 ． 5 MP a注浆 压 力 下起 到封堵 作 用 。 { 1 0 戎 扣 方式 图 - I 机 械 扣 压 前 后 囊 袋 越袋膨胀性实验 【 l l 1 扣 J f 耍 验 图 5带 压 封 孔 装 备 实验 3现场试 验 3 一 工作 情况 观场 试验在 大佛 寺 煤 矿 4 l 1 8工 作 向 该 工 作 向 主采 l 煤层 ， 煤 的 崮 性 系数 约 为 3 ， 丁 作 面 瓦 斯 含 鞋为 2 ． 9 ～3 ． 2 m。。 ／ t ， 平 均煤 层厚 度为 1 1 ． 6 5 m， 煤 透 气性 系数约 为 0 ． 2 5 r n MP a d ， 煤 层倾 角为 3 ～5 。 。该 工 作 面 主 要 采 用 采 前 预抽 本 煤 层 扇彤 钻孔预 抽 L 孑 倾 向 钻孔 采前 预 抽 、 高 位钻 孔 ． 同 【 J 、f 在 上隅 角 采用 埋管 抽采 。 3 ． 2 合理 封孔 长度 及注 浆压 力确 定 3 ． 2 ． 1 合理封 孔长 度确 定 根据 钻屑 理 论 ， 巷道 围岩 血 力 的 变化 会 引 起 钻 孑 L 心 力的最新 分 布 ， 从 而 影 响钻 孔 钻 屑 鼍 。 由于 巷 道应力 的 变化 ． 使得 钻 孔 向煤 体 深部 发展 可 分 为 卸 压 区 、 应 力 集 中 和 原 岩 应 力 区。存 卸 压 区 ． 钻 悄 量基 本保 持不 变 ． 在 应 力 集 中 区 钻 屑 逐 渐 增 大 并 在应力 峰 值 处 达 到 最 大 ， 之 后 一 直 下 降 并 达 到 固 定值 州 。 根据 钻屑 法 的要 求 ． 在 { 0 1 工 作 面 煤 壁 实施 三个 钻孔 ， 每 个钻孔 问距 5 i n 。 钻 孔 直径 为 4 2 F n F l*l 。 钻孔 深度 为 1 5 1 T I ， 每 钻 进 1 F I 1 测 试 一 次 钻 瞒 带 。 3 个钻 孔钻 屑量 如 图 6所示 。从 图 6可 以看 出 ． 钻 孔 1 ～ 5 m 之 问 钻 屑 量 逐 渐 增 加 ． 但 增 加 幅 度 较 小 。 6 ～1 2 IT I 之 间钻屑 量增加 明显 ， 尤 其是 l 0 ～ l 2 n 1 之 问 钻屑量 较 大 ， 1 2 ～ 1 5 1T I 之 减 小 仍 比 1 ～ 5 m 之 问 的钻 屑量大 。因此 ， 可 以判 定 ． 1 ～5 m 为卸 压 带 ， 6 ～1 4 1T I 为应 力集 中带 ． 其 中 l 0 ～ l 2 n l 为最 伴 封 孔位 置 。因此 ． 本 次封孑 L 长度 为 l 2 n 。 7 ．0 6．5 6．0 5 ．5 三 5．0 4 ． S 4 ． 0 3 ． 5 3 ． 0 2 ． 5 2 ， 0 图 6钻 孑 L 钻 屑 量 变 化 3 ． 2 ． 2 注浆 压力 的确 定 注浆 压 力 的 确 定 对 于 带 压 封 孑 L 技 术 足 至 天砸 要 的 。根据 中 团水 利 水 电 科 学 研 究 院 建 立 的 非 牛 顿 流体 在光 滑裂 隙 面内 的扩展 方 程 ． 得 r浆 体 扩 散半 径 R 与 注 浆 压 力 P 浆 液 黏度 及注 浆 时 间 T 的关 系 ． 见 式 1 。 R 一 一 o ． 09 3 P 一 P 了 ， - ，／ 1 式 中 尸 为裂 隙 内地 下 水压 力 ． P a ； 为裂 隙或 孔 隙 的宽 度 ， c r l l ， 为钻 孔 半 径 ， c t ] 3 ， 由 r煤 孔 的 均 匀 性 r f 一mr ／ 2 ， ” 为 钻 孔 不 均 匀 系 数 ． r 钻孔 理 论 孔径 。 对式 1 进 行移 项 变化 ， 得 出 注浆 力 的 表 达式 ， 式 2 。 一 一 丽 由于现场 条 件 的变 化 ， 现 场 应 用 的 注浆 力需 将计 算 出 的注浆 压力 乘 以 [ 余 系数 。 一 般取 1 ． 2 ， 见 式 3 。 P 一 P 3 式 q ， 为冗 余 系数 。 第 6 期 卢红 奇 ，等 本煤 层带 压封孔技术装备研究及其应用 1 1 5 根据大佛寺煤矿 4 0 1 1 8工作面抽采钻孔具体情 况 可知 ， 抽 采钻孔 孔径 为 1 1 3 mm， 根 据钻 孑 L 半 径 r o mr ／ 2可计算 出， r 0 6 8 mm， 4 2 5水 泥浆液 水灰 比 21 可注入裂缝宽度为 0 ． 0 5 c ml_ 1 ， 浆液黏度 为 1 3 ． 5 mP a S ， 浆 体 扩 散 半 径 最 大 为 0 ． 6 8 m 1 0 倍孔径口 ， 注浆时间约为 1 5 rai n 。根据以上参数 可得 P G 一0 ． 3 MP a 。根据 式 3 可 知 ， 注 浆 压力 P 注 一0 ． 3 6 MP a 。同时考虑现场情况和注浆泵性能 ， 本 次注 浆压 力 为 0 ． 4 MP a 。 3 ． 3 抽采 效 果考察 根据 前述 带压 封 孔 装 备 原理 ， 在 4 0 1 1 8工 作 面 进行 试 验 ， 封 孑 L 长 度 均 为 1 2 m， 1 孔 采 用传 统 封 孔 工艺 ， 2 孔采用注浆压力 0 ． 2 MP a封孔工艺 ， 3 ～ 5 孔 为采 用 注 浆 压力 0 ． 4 MP a封 孔 工艺 。钻 孔 抽 采负压为 2 --5 k P a ， 钻孑 L 长度为 1 2 0 ～1 6 0 m， 倾 角 为 1 0 ～ 1 5 。 ， 各个 钻孔 瓦斯抽 采浓 度如 图 7所示 。 烂 曩 抽采时间 d 图 7 1 ～5 钻 孔瓦斯抽 采浓度对比 从 图 7中可 以看 出 ， 1 钻孔 采 用 常规 封 孔 工 艺 后 ， 在 初始 1 6 d抽 采 时 间 内 ， 钻 孔 瓦 斯 抽 采 浓 度 较 低 ， 平 均瓦 斯 浓 度 约 为 3 O 左 右 ， 这 是 由 于 常 规 封 孔 工 艺下钻 孔裂 隙 无 法 得 到有 效 封 堵 ， 在 负 压 抽 采 条 件下 外 界 空 气 进 入 钻 孔 中导 致 抽 采 浓 度 较 低 。 2 钻孑 L 注浆 压力 平均 为 0 ． 2 MP a ， 钻 孔 瓦斯 抽 采 浓 度 明显 较 1 孑 L 高 ， 平均 瓦 斯 浓度 为 7 0 ％ ， 说 明在 注 浆 压 力 0 ． 2 MP a时 钻孔 裂 隙得 到有 效 封堵 。3 钻 孔 、 4 钻孔 和 5 钻孔 注 浆 压 力 为 0 ． 4 MP a ， 其 抽 采 瓦斯 浓 度 较 0 ． 2 MP a时 高 ， 平 均 抽 采 万 浓 度 为 8 1 、 8 2 和 8 5 ， 比常 规 封 孔 工 艺 瓦 斯抽 采 浓 度 高 5 1 ～ 5 5 左 右 ， 较 注 浆 压 力 0 ． 2 MP a时 高 1 0 以上 ， 明显提高了钻孔瓦斯抽采浓度。 4 结 论 1 钻孔 由 于 受 应 力 影 响 ， 会 产 生 破 碎 区 、 塑 性 区和 弹性 区 ， 带 压封 孔 即是 带压 注 浆 来 达 到 封 堵 钻 孔 裂 隙 的 目的 。 2 根 据带 压封 孔 和“ 两堵 一 注 ” 原理 ， 设 计 新 型 带压 封孔 装置 ， 即利用 机 械 扣 压方 式 将囊 袋 固定 在 抽采管路上 ， 然后利用注浆泵依次向囊袋和密封空 间带 压注 浆 。通过 对 该设 备 进 行 实 验 ， 结 果表 明该 设 备能够 满足 注浆 压力 0 ． 5 MP a需求 。 3 根 据 大佛 寺煤 矿 4 0 1 1 8工作 面 情况 ， 得 出其 合 理封 孔长 度为 1 2 m 和最 佳注浆 压力 为 0 ． 4 MP a ， 通 过在 现 场试 验 表 明带 压 封 孔技 术 较 常 规 封 孔 工 艺 提高 钻孔 瓦斯抽 采浓 度 5 0 以上 ， 取得 了明显 的 效 果 。 I [1 ] [2 ] [3 ] [ 4] [5] [6] [7] [8] [9] [ 1 o ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] 参 考文 献 何满潮 ， 谢和平 ， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学研究[ J ] ． 岩石 力学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． 俞启香．矿 井 瓦 斯 防 治 [ M] ． 徐 州 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 ， 1 9 9 2 ． 于不凡． 煤矿瓦斯灾害防治及利用技 术手册 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 王兆丰 ， 武炜． 煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析 口] ． 煤炭 科学技术 ， 2 O 1 4 ， 4 2 6 3 I - 3 5 ． 周福 宝 ， 李金海 ， 昃玺 ， 等． 煤层 瓦斯抽采钻 孔的二次封孔 方 法研究口] ． 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 8 6 7 6 4 7 6 8 ． 李 文树 ， 陈久福 ， 龙建 明， 等． 瓦斯顺层抽采 钻孔封孔工 艺改 进研究 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 o 1 3 ， 4 1 s 2 1 6 I - 1 6 3 ． 郑 春山 ， 林柏 泉， 翟成 ， 等． 高 瓦斯低透气性 煤层近水平 钻孔 高密封性封孔方法[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 O 1 2 ， 4 3 1 0 5 6 6 0 ． ZHANG Ch a o， LI N Ba i q u a n， ZH OU Ya n，e t a 1 ．St ud y o n “ f r a c t u r i n g s e a l i n g” i n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y b a s e d o n h i g h e n e r g y g a s f r a c t u r i n g i n s i n gl e s e a m wi t h high g a s a n d l o w a i r p e r me a b i l i t y[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mi n i n g S c i e n c e a n d Te c h n o 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